Giáo trình CƠ SƠ VÀ PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHÂN TỬ - Chương 3 pps

Chương 3: MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN, PROTEIN Tóm tắt: Thông tin cấu trúc của phân tử protein, tARN, rARN được mã hoá trong gene bằng trình tự các nucleotit.. Hiện tượng 3 nucleotit kế t

Chương 3: MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN, PROTEIN

Tóm tắt: Thông tin cấu trúc của phân tử protein, tARN, rARN được mã hoá

trong gene bằng trình tự các nucleotit Trình tự nucleotit trong gene mã hoá cho chuỗi polipeptit đã được xác lập bằng thực nghiệm và thể hiện trong bảng mã di truyền Mã di truyền là mã bộ ba nucleotit (codon), sự thay đổi trong codon có thể dẫn đến sự thay đổi trong chuỗi polipeptit và đột biến ở tính trạng Những đặc điểm về cấu trúc vá chức năng của protein và mối liên hệ giữa ADN, ARN, protein và sự điều hoà biểu hiện gene cũng là cơ sở quan trọng để xây dựng kĩ thuật biểu hiện gene

Nội dung của chương gồm 4 vấn đề cơ bản: (1) Thông tin sinh học và mật mã

di truyền; (2) Protein; (3) Tổng hợp protein; (4) Điều hoà biểu hiện gene

§1 THÔNG TIN DI TRUYỀN VÀ MẬT MÃ DI TRUYỀN

Thông tin quy định cấu trúc một loại protein, một loại tARN, rARN được

gọi thông tin di truyền Thông tin di truyền được chứa đựng và được mã hoá

trong phân tử ADN bởi trình tự các nucleotit Hiện tượng 3 nucleotit kế tiếp nhau trong gene quy định một axit amin trong chuỗi polipeptit được gọi là sự mã hoá bộ ba Còn một bộ ba cụ thể xác định cho một axit amin cụ thể ( ví dụ: UGU: serine) được gọi là bộ ba mã hoá (codon - code) Phân tử tARN có một bộ

ba bổ sung với bộ ba mã sao của mARN được gọi là bộ ba đối mã (anticodon) ADN chứa thông tin di truyền, đó là thông tin quy định cấu trúc một loại protein, rARN và tARN Trình tự của các bazơ trong ADN quyết định trình tự của axit amin trên protein tương ứng

Phân tử ADN được cấu tạo từ 4 loại nucleotit, và protein lại được cấu tạo

từ 20 loại axit amin, nếu, một nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4 tổ hợp mã; còn hai nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 42 = 16 tổ hợp mã

bộ 2, như vậy vẫn còn thiếu 4 loại axit amin chưa được xác định bởi các mã bộ hai Và ba nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 43 = 64 tổ hợp mã bộ 3 Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm: mã di truyền là mã bộ ba Đối tượng là gene rII ở phage T4 Trong thí nghiệm người ta tạo đột biến mất (-) và thêm (+) một cặp bazơ trên ADN → biến đổi ADN → thành phần axit amin của protein

Giả sử phân tử mARN chỉ có thành phần CAG và trong phân tử protein chỉ có một loại axit amin:

mARN CAG CAG CAG CAG CAG

Protein a1 a1 a1 a1 a1

- Nếu đột biến làm mất C (-) ở vị trí mã số 2 trên mARN:

mARN CAG AGC AGC AGC AGC

protein a1 a2 a2 a2 a2

- Nếu đột biến (+) thêm G vào giữa bộ ba thứ 2:

mARN CAG AGC GAG CAG CAG CAG

protein a1 a2 a3 a1 a1 a1

Các số liệu thực nghiệm thu được trên thí nghiệm rII ở thực khuẩn T4 đã chứng tỏ lập luận trên là đúng Vậy mã di truyền là mã bộ ba nucleotit

1.1 Giải mã di truyền

Năm 1961 M Nirenberg sử dụng hệ thống vô bào để giải mã di truyền

Hệ thống vô bào được chiết từ E coli có chứa ribosome, ARN, enzyme

aminoacylsynthetase, mARN, các axit amin và một số phụ gia khác Phản ứng diễn ra trong vài phút rồi dừng lại, nếu bổ sung thêm mARN thì việc tổng hợp lại tiếp diễn

Nếu mARN nhân tạo chỉ toàn uraxin thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit phenylalanine, nếu mARN chỉ toàn adenine thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit lisine; nếu mARN toàn cytosine thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit proline Từ đó có thể suy ra bộ ba UUU quy định axit amin phenylalanine; AAA : lisine; CCC : proline

Bằng phương pháp đó người ta đã tìm ra 61 bộ ba mã hoá Ba bộ ba còn lại là UAA, UAG, UGA làm nhiệm vụ nhận biết tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi polipeptit, còn gọi là bộ ba vô nghĩa (non sense) vì chúng không quy định axit amin

1.2 Các đặc tính của mã

Thông tin được đọc theo từng cụm ba nucleotit một cách liên tục không ngắt quãng

- Thông tin được đọc theo một chiều, bắt đầu từ một điểm xác định

- Mã di truyền mang tính phổ biến (umversal)

- Mã di truyền mang tính thoái hoá (degenerate), trừ 2 ngoại lệ AUG và UGG

- Mã di truyền mang những bộ ba khởi đầu (AUG) ở đầu 5' Các bộ ba kết thúc UAG, UAA, UGA

Bảng mật mã di truyển (mã sao mARN)

UUU Phe UCU Ser UUC Phe UCC Ser UUA Leu UCA Ser

U

UUG Leu UCG Ser

UAU Tir UAC Tir UAA KT UAG KT

UGU Cys UGC Cys UGA KT UGG Trp

U

C

A

G CUU Leu CCU Pro

CUC Leu CCC Pro CUA Leu CCA Pro

C

CUG Leu CCG Pro

CAU His CAC His CAA Gin CAG Gin

CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg

U

C

A

G AUU Isoleu ACU Thr

AUC Isoleu ACC Thr AUA Isoleu ACA Thr

A

AUG Met ACG Thr

AAU Asn AAC Asn AAA Lis AAG Lis

AGU Ser AGC Ser AGA Arg AGG Arg

U

C

A

G GUU Val GCU Ala

GUC Val GCC Ala GUA Val GCA Ala

G

GUG Val GCG Ala

GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu

GGU Gli GGC Gli GGA Gli GGG Gli

U

C

A

G

Mã khởi đầu AUG có 2 chức năng: vừa tạo ra sự bắt đầu dịch mã (mã mở đầu) vừa mã hoá axit amin (Một vài trường hợp mã mở đầu không phải là AUG

mà là UGU điều khiển axit amin formyl methionine đi vào đầu chuỗi polipeptit)

Mã kết thúc (codon vô nghĩa - nonsense):

UAA (ochae) Tín hiệu kết thúc

UGA (opal) quá trình tổng hợp protein

UAG (amber)

- Tính linh hoạt

Trong tế bào có những loại tARN có thể đồng thời có một số bộ ba khác nhau Phân tích trình tự tARN đã cho thấy rằng một số tARN có cấu trúc inosine

là một trong các bazơ của cụm mã đối (anticodon) Đặc điểm của inosine được thể hiện ở hình 3.1

Phân tích trình tự cho thấy đầu 5' của codon đối mã (bổ trợ với bazơ thứ

ba của cụm mã) khác với 2 bazơ kia, có khả năng kết hợp với một số bazơ trên đầu 3' của cụm mã Hiện tượng này còn được gọi là tính "linh hoạt" trong kết cặp bazơ và tính linh hoạt là có giới hạn:

Hình 3.1 Cấu trúc của inosine và guanine

Bazơ trên đầu 5' của anticodon Bazơ trên đầu 3' của cụm mã

I (Inosin) kết cặp với A, U hoặc G

Hình 3.2 Tính linh hoạt của mã di truyền 1.3 Đột biến và mã di truyền

Mối liên quan giữa đột biến và mã di truyền được thể hiện ở 4 kiểu đột biến cơ bản

1.3.1 Đột biến nhầm nghĩa

Một cặp bazơ bị biến đổi dẫn đến thay đổi cụm mã tương ứng trên mARN

và làm thay đổi 1 axit amin trên polipeptit

1.3.2 Đột biến vô nghĩa

3' AGT CAA GGT TGC CAT 5'

1 2 3 4 5

Đột biến thay thế ở bộ ba thứ 4 (G-C bị thay thế bởi A-T)

3' AGT CAA GGT TAC CAT 5'

5' UCA GUU CCA AUG GUA 3' mARN

Biến đổi một cặp bazơ làm xuất hiện một codon vô nghĩa dẫn đến xuất hiện tín hiệu kết thúc chuỗi polipeptit làm cho chuỗi polipeptit được tổng hợp ngắn (ít axit amin) hơn bình thường

3' AGT CAA GAT TGC CAT 5'

1 2 3 4 5

Đột biến măt cặp bazơ G-X ở bộ ba thứ 3

3' AGT CAA ATT GCC AT 5'

Xuất hiện mã kết thúc UAA ở mARN

5' UCA GUU UAA CGG UA 3' mARN

1.3.3 Đột biến cặp bazơ ở bộ ba quy định axit amin 1àm xuất hiện codon mới (codon thoái hoá) không ảnh hưởng đến chuỗi polipeptit

Một loại axit amin có thể được quy định bởi một vài bộ ba: ví dụ GUU, GUC, GUA, GUG cùng quy định axit amin valine

Trường hợp bình thường:

3' AGT CAA GGT TGC CAT 5'

1 2 3 4 5

5' UCA GUU CCA ACG GUA 3' mARN

Scrine - Valine - Proline - Threonie - Valine Protein

Trường hợp đột biến

1.3.4 Đột biến dịch khung

3' AGT CAA GGT TGC CAT 5'

1 2 3 4 5

Đột biến thay thế ở bộ ba thứ 2 (A-T bị thay thế bởi G-X)

3' AGT CAG GOT TAC CAT 5'

Thay đối ở mARN 1àm BD đổi GUU thành GUC

5' UCA GUC CCA AUC GUA 3' mARN

Serine - Valine - proline - Threonie - Valine Protein

(GUU và GUC cùng quy định valine)

Hiện tượng mất hoặc thêm một cặp bazơ dẫn đến tổ hợp lại các codon và làm thay đổi thành phần axit amin của chuỗi polipeptit

• Trường hợp bình thường:

3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene

5' UUG UGU GUC CAA GUU UCC UCG 3' mARN

Dịch mã

- Leucinne - Cysteine-Valine - Glicine - Valine - Tryptophane - Serine

Protein

• Trường hợp đột biến dịch khung:

3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene

Đột biến mất cặp C-G ở bộ ba thứ 3

3' aAC acAn agg ttc aaa Gga gc 5' Gene đột biến

5' UUG UGU UCC AAG UUU CCU CG 3' mARN

Dịch mã

- Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline

Protein

Như vậy chuỗi polipeptide có thành phần axit amin:

- Leucinne - Cysteine-Valine - Glicine - Valine - Tryptophane - Serine Biến đổi thành:

- Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline

§2 PROTEIN

2.1 Chức năng của protein trong tế bào

Protein chiếm khối lượng lớn trong tế bào và tham gia vào hầu hết các quá trình sinh học

Thành phần cấu tạo nên các bộ phận của tế bào, quy định những đặc điểm

về hình thái và cấu tạo của tế bào và cơ thể

Protein enzyme có khả năng xúc tác lớn và tính đặc hiệu cao

Kháng thể: chống lại các tác nhân xâm nhập vào tế bào và cơ thể Tác nhân gây miễn dịch (kháng nguyên) xâm nhập vào cơ thể động vật có xương sống sẽ kích thích sự sản sinh ra kháng thể

Protein vận động (myosin), cảm ứng

2.2 Cấu trúc của protein

Axit amin là đơn vị cấu tạo nên protein, có khoảng 20 loại axit amin cấu tạo nên các phân tử protein khác nhau Axit amin có cấu tạo chung như sau:

Dựa vào diện tích của chúng các aminoacit có thể chia làm 4 nhóm:

• Nhóm I Các axit amin có tính kiềm: lisine, argimne, histidinc ở độ pH của tế bào nhóm amine (NH)2 ở nhánh bên bị ion hoá thành NH3, nên chúng mang điện tích dương

• Nhóm II Các axit amin mang tính axit, vì nhánh bên bị oxy hoá thành COO-, bao gồm: aspartic và glutamic

• Nhóm III Các axit amin trung tính kị nước (không mang điện tích) như:

alanine, valine, leucine có nhánh bên mang các nhóm kị nước

• Nhóm IV Các axit amin trung tính phân cực có nhánh bên nhóm OH để tạo các liên kết hyđrô ưa nước

Các axit amin liên kết với nhau bằng mối liên kết peptit

Protein có cấu trúc theo nhiều bậc:

Bậc I: chuỗi polipeptit có dạng mạch thẳng

Bậc II: chuỗi polipeptit có dạng mạch xoắn α

Bậc III: chuỗi polipeptit có dạng mạch hình cầu

Bậc IV: tổ chức protein có nhiều chuỗi polipeptit :

Hình 3.4 Liên kết tạo chuỗi polipeptit

Hình 3.5 Sơ đồ các bậc cấu trúc của protein

Một phân tử protein chỉ có một chuỗi polipeptit (cấu trúc bậc I, II, III) hoặc gồm nhiều chuỗi polipeptit (cấu trúc bậc IV)

Hình 3.7 a, b: Cấu trúc bậc II; c, d, e, g: Cấu trúc bậc III; m n, p, q: Cấu trúc

bậc IV của protein.(theo Phan Văn Chi, 2002)

§3 QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN

3.1 Các yếu tố tham gia tổng hợp protein

3.1.1 Các phân tử ARN

Mỗi phân tử mARN mang thông tin xác định trình tự của một polipepetit, thông tin này được phiên mã từ ADN

Số lượng loại tARN biến động theo loài từ 30 - 40 loại (Prokaryot), 50 loại (Eukaryot), nhưng cấu trúc của các loại tARN rất giống nhau

Chức năng của tARN được thực hiện nhờ các enzyme đặc biệt là các aminoacyl-tARN-synthetase Có 20 loại aminoacyl-tARN-synthetase tương ứng với 20 loại axit amin Quá trình gắn axit amn với tARN với sự tham gia của enzyme này là quá trình tiêu tốn năng lượng và trải qua 2 bước:

• Enzyme nhận biết và gắn với 1 axit amin đặc hiệu

• Enzyme + a.a + ATP → enzyme - aminoacyl - AMP + P.P

Axit amin được chuyển từ phức hợp enzyme aminoacyl sang tARN tương ứng

Enzyme - aminoacyl - AMP + tARN → tARN- aminoacyl + AMP + E

3.1.2 Ribosome (RBX)

Ribosome (RBX) được cấu tạo từ rARN và protein tạo thành ribonucleoprotein RBX có 2 tiểu phần (tiểu đơn vị); tiểu đơn vị lớn chứa 1 phân

tử rARN lớn và tiểu đơn vị nhỏ chứa 1 rARN nhỏ RBX ở Prokaryot và Eukaryot cơ bản giống nhau

Hình 3.8 Ribosome 3.2 Các giai đoạn của quá trình tổng hợp protein

Quá trình sinh tổng hợp protein trong tế bào trải qua hai khâu: phiên mã

và dịch mã (hình 3.9) Ở đây chỉ trình bày khái quát các giai đoạn của quá trình dịch mã

3.2.1 Khởi động

Giai đoạn có sự tham gia của nhiều nhân tố protein - nhân tố khởi động

(IF - Initiation Factor); ở Prokaryot có 3 nhân tố IF, còn ở Eukaryot có 6 nhân

tố IF

Dấu hiệu khởi động là codon AUG (mã hoá methyonine) Có 2 loại tARN mang a.a Met có khả năng kết hợp với codon AUG:

(1) tARNmet : kết hợp với Codon AUG ở giữa mARN

(2) tARimet : kết hợp với AUG khởi động, gắn a.a methyonine đầu tiên của chuỗi polipeptit

Các bước của giai đoạn khởi động:

Aminoacyl - tARN - synthetase chuyên biệt (methionyl - tARN - synthetase) gắn 1 phân tử met vào một đầu của tARNmet tạo thành Met - tARNimet

Hình thành tiểu đơn vị nhỏ ribosome - met - tARNimet - mARN với sự tham gia của nhân tố khởi động (IF2 - Prokaryot ; IF4 - Eukaryot)

3.2.2 Kéo dài

Khi a.a met đặt vào vị trí chuỗi polipeptit bắt dầu được tổng hợp

Aminoacyl - tARN kế tiếp nó đến xếp vào đúng vị trí trên ribosome nhờ một nhân tố kéo dài (EF) RBX có 2 vị trí chuyên biệt (hình 3.6)

Hình 3.9 Sự gắn của mARN với các tiểu phần ribosom và sự dịch mã của

chúng A: tiếp nhận aminoacyl - tARN

P: giữ phức hợp peptidyl - tARN để hình thành chuỗi polipeptit

Quá trình cứ lặp lại cho đến khi xuất hiện dấu hiệu kết thúc dịch mã

3.2.3 Kết thúc

Khi nhân tố (TF) kết thúc nhận biết được dấu hiệu kết thúc (các codon kết

thúc: UAG, UAA, UGA), phức hợp peptidyl - tARN lập tức tách thành tARN tự

do và chuỗi polipepetit RBX tách ra thành 2 tiểu đơn vị và mARN được giải phóng

Hình 3.10 Dịch mã tổng hợp protem ở các ribosom trên lưới nội chất

§4 ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GENE

Ba thành phần cơ bản của sự điều hoà hoạt động gene

(1) Những tín hiệu làm thay đổi biểu hiện gene

(2) Điều hoà biểu hiện gene thực hiện ở giai đoạn nào từ sao chép đến

dịch mã

(3) Cơ chế phân tử của sự điều hoà biểu hiện gene

4.1 Điều hoà biểu hiện gene ở Prokaryot

Các gene được phiên mã tạo ARN, được gọi là gene cấu trúc, protein được dịch mã từ mARN có thể enzyme hoặc không phải là enzyme Trong số các protein không phải enzyme có protein điều hoà (regulatory prtotenin) chúng tương tác với trình tự ADN đặc hiệu kiểm soát phiên mã của gene cấu trúc Gene điều khiển tổng hợp protein điều hoà gọi là gene điều hoà (regulatory gene), phía trước nhóm gene cấu trúc có trình tự protnotor, nơi ARN-polimerase nhận biết

Hìnhh 3.11 Mối quan hệ giữa AND, ARN và protein

Thực chất của khởi đầu phiên mã là quan hệ tương tác giữa ARN - polimerase với promotor Khi ARN-polilmese gắn vào promotor gene sẽ tạo phân tử mARN

4.1.1 Cấu trúc của operon

Sự điều hòa biểu hiện gene ở Prokaryot phần lớn xảy ra ở giai đoạn phiên

mã Cơ chế điều hòa thông qua operon Mỗi operon bao gồm: nhóm gene cấu trúc (cistron) cạnh nhau và các trình tự AND khác nhau tham gia điều hòa

Operon là đơn vị phiên mã gồm ít nhất 1 promotor (trình tự khởi động) và mARN kế cận mã hóa cho các trình tự của một hay nhiều mạch polipeptit

Promotor có ái lực với ARN-polimerase, một trình tự AND nơi mà protein ức

chế (repressor protein) gắn vào được gọi là operator (điểm điều hành), kế tiếp là

các gene cấu trúc (cistron) Prokaryot thường tạo ra mARN đa gene (policistronic), nhưng mARN của Eukaryot chỉ có 1 gene

Kiểm soát âm (Negative control): Sự gắn của repressor protein vào

operator làm cản trở sự phiên mã của tất cả các gene trong cùng một operon

Kiểm soát dương (Positive control): Các protein cần thiết cho gene biểu

hiện gọi là activator (chất hoạt hoá), activator có thể gắn với các điểm khởi động (initiator site) của operon hay gắn với enhancer site (điểm tăng cường) sẽ kích